风力发电机组风轮叶片标准.docx

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风力发电机组风轮叶片标准

风力发电机组风轮叶片标准

1概述

“风力发电机组风轮叶片”标准是适用于并网型风力发电机组风轮叶片的标准，规定了其风轮叶片通用技术条件。

2依据

所摘要的“风力发电机组风轮叶片”标准是中华人民共和国机械工业局于2000-04-24批准的，自2000-10-01实施。

主要起草人：

田野、石海增、鲁金华、田卫国、陈余岳。

3设计要求

3.1.1总则

叶片气动设计是整个机组设计的基础，为了使风力发电机组获得最大的气动效率，建议所设计的叶片在弦长和扭角分布上采用曲线变化；设计方法可采用GB/T13981-1992《风力机设计通用要求》中给定的方法。

可采用专门为风力发电机组设计的低速翼型。

3.1.2额定设计风速

叶片的额定设计风速按A中表A1中规定的等级进行选取。

3.1.3风能利用系数Cp

为了提高机组的输出能力，降低机组的成本，风能利用系数Cp应大于等于0.44。

3.1.4外形尺寸

叶片气动设计应提供叶片的弦长、扭角和厚度沿叶片径向的分布以及所用翼型的外形数据。

3.1.5气动载荷

根据气动设计结果，考虑有关适用标准给定的载荷情况，计算作用在叶片上的气动载荷。

3.1.6使用范围

叶片的气动设计应明确规定叶片的适用功率范围。

无论是定桨距叶片还是变桨距叶片，都要求其运行风速范围尽可能宽。

对于变桨距叶片，要给出叶片的变距范围。

3.2结构设计

3.2.1总则

叶片结构设计应根据3.1.5中的载荷，并考虑机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足够的强度和刚度。

保证叶片在规定的使用环境条件下，在其使用寿命期内不发生损坏。

另外，要求叶片的重量尽可能轻，并考虑叶片间相互平衡措施。

叶片强度通常由静强度分析和疲劳分析来验证。

受压部件应校验稳定性。

强度分析应在足够多的截面上进行，被验证的横截面的数目取决于叶片类型和尺寸，至少应分析四个截面。

在几何形状和（或）材料不连续的位置应研究附加的横截面。

强度分析既可用应变验证又可用应力验证，对于后者，应额外校验最大载荷点处的应变，以证实没有超过破坏极限。

应通过可靠的分析方法和试验验证，证明叶片能满足各种设计使用情况下的静强度和疲劳强度及气动弹性稳定性要求。

强度计算B。

3.2.2安全系数

叶片的设计安全系数应大于等于1.15。

3.2.3刚度

对于复合材料结构叶片，设计时应满足机组振动、气动弹性不稳定性、机械功能等设计目标的要求；还应保证其在承受50年一遇阵风载荷情况下不损坏及对机组造成灾难性的后果。

3.2.4固有频率

叶片的固有频率应与风轮的激振频率错开，避免产生共振。

固有频率既可以通过计算也可以通过实测确定。

3.2.5气动弹性稳定性

应考虑叶片所有设计状态下的颤振及其他不稳定性，使叶片不产生有害的振动，并分析叶片的动态特性。

3.2.6设计使用寿命

叶片的设计使用寿命大于等于20年，结构设计应满足这一要求。

叶片的设计使用寿命既可以通过计算，也可以通过疲劳试验确定。

用于疲劳分析验证的载荷谱既可以通过计算也可以通过实测的方法确定；载荷循环数可用雨流计数法确定。

3.2.7可靠性

对于叶片中的机械机构，如变桨距叶片的变桨距系统和定桨距叶片的叶尖气动刹车机构（如果有的话），其可靠性应满足用户的要求。

3.2.8物理特性

叶片的结构设计还应给出下列内容：

a）叶片重量及重量分布；

b）叶片重心位置；

c）叶片转动惯量；

d）叶片刚度及刚度分布；

e）叶片的固有频率（挥舞、摆振和扭转方向）。

3.2.9接口尺寸

结构设计应给出同轮毂连接的详细接口尺寸。

3.3技术要求

3.3.1叶片应符合由制造商制定的技术文件要求，叶片图样是叶片的主要技术文件。

3.3.2制造叶片所用的材料应有供应商的合格证明，并符合零件图样规定的牌号。

化学成份、机械性能、热处理和表面处理应符合相应标准。

3.3.3叶片的零件、组件及外购件应符合生产的技术文件。

3.3.4为了满足叶片的气动性能，并考虑叶片加工的工艺性及相应的制造成本，下列公差要求是叶片批量生产时应达到的最低值：

a）叶片长度公差：

±（1.3%oL）mm，其中L为叶片长度；

b）叶片型面弦长公差：

±（1.5%t）mm，其中c为翼型型面弦长；

c）叶片型面厚度公差：

±（1%t）mm，其中t为翼型型面最大厚度；

d）叶片型面扭角公差：

±0.4°；

e）叶片成套重量互差：

±1%；

f）叶片轴向重心互差：

±10mm。

4环境适应性

4.1总则

设计和制造叶片时要考虑环境因素的影响，应进行耐环境设计，采取相应措施，使其具有较高的环境适应性。

叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下并且不容易接近。

由于运行条件的原因，在许多情况下，不可能重做防腐层，因此重视设计、材料选择和防腐保护措施特别重要。

防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大影响。

防腐的基本规则见ISO12944-3和ISO12944-5的规定。

对于不能通过涂层或镀层来防腐的部位，可以选用适当的材料。

复合材料叶片应采用胶衣保护层。

4.2件

4.2.1

叶片设计使用温度范围为-30~+50℃。

4.2.2湿度

叶片设计使用湿度小于等于95%。

4.2.3盐雾

对于在沿海地区运行的风力发电机组，叶片设计时应考虑盐雾对其各部件的腐蚀影响，并采取相应有效的防腐措施。

4.2.4雷电

叶片设计时应充分考虑遭雷击的可能性，并采取相应的雷击保护措施，雷击保护系统的设计按IEC61400-24：

1999要求进行。

4.2.5沙尘

叶片设计应考虑沙尘的影响，如沙尘对叶片表面的长期冲蚀，对机械转动部位润滑的影响以及对叶片平衡造成的影响等。

4.2.6辐射

对于复合材料叶片应考虑太阳辐射强度以及紫外线对材料的老化影响。

5安全和环保

5.1总则

叶片的使用和制造不应对当地居民的安全和环境产生不利影响。

5.2噪声

叶片产生的噪声是机组噪声的一个组成部分，叶片设计时必须考虑这一因素。

5.3环保

制造叶片的材料，尤其是复合材料，在制造过程中可能会产生一些有害的物质，因此，应尽量选择适当的材料，使其在制造和使用过程中不会产生大量有害的粉尘和挥发物，对环境产生不利影响。

6叶片材料要求

6.1总则

6.1.1叶片材料选择应遵守下列准则：

a）疲劳强度高；

b）静强度适当；

c）在所有环境下的可靠性；

d）重量轻；

e）成本低。

6.1.2所选择的材料必须满足设计使用要求，并适合加工制造。

6.1.3所选择材料的性能指标及化学成份应符合现行有效标准或其他有关技术条件要求。

6.1.4材料制造商应具备GB/T19002的质量认证体系，应提供材料的合格证和检验单。

6.1.5材料应有使用说明书，并按其规定使用。

6.1.6主要材料和用于重要零部件的材料，进厂后应进行性能复验，试验类型和范围按设计要求或有关规定进行。

6.1.7不允许使用超期材料，除非经试验证明性能符合要求，并办理有关手续方可使用。

6.1.8代用材料其性能指标及质量等级应与原使用材料相当。

6.2复合材料

6.2.1增强材料

6.2.1.1叶片的增强材料通常选择玻璃纤维及其制品，如粗纱、毡、各类织物。

必要时可适当选用碳纤维制品。

6.2.1.2纤维表面必须进行保护或附着增强型涂层，并且要用适合于使用的层压树脂。

6.2.1.3玻璃纤维应使用E-玻璃纤维、R或S-玻璃纤维，不得使用其他类型的纤维。

6.2.1.4纤维及其制品的牌号、性能、规格应符合现行国家标准或行业标准。

6.2.1.5性能试验按国家相关标准进行。

6.2.2树脂

6.2.2.1根据用途和要求，可区分为层压树脂和胶衣树脂，如两种树脂混合在一起，或配套使用，必须证明两种树脂相容，除非两种树脂结构相同。

6.2.2.2胶衣树脂在固化条件下，应具有较好的防潮性和防紫外线辐射及其他有害环境影响的性能，并且应具有良好的耐磨性、低吸水性和高弹性，胶衣树脂中只允许添加触变剂、颜料和固化剂。

6.2.2.3层压树脂在铺层时应有良好的浸渍性能，在固化状态有好的防潮性和高的防老化性能。

6.2.2.4树脂的所有添加物如固化剂、促进剂、催化剂、填料和颜料，要与树脂相协调，并且彼此之间要兼容，保证树脂完全固化。

6.2.2.5填料不得影响树脂的主要性能，填料的类型和填加总量可通过试验确定，在树脂中填料的比例不超过重量的12%（包括最多1.5%的触变剂），触变剂的比例在胶衣树脂中不超过重量的3%。

6.2.2.6颜料应不受气候影响，可由无机或不褪色的有机染料物质组成，颜色由用户决定，填加比例按制造商规定，否则按重量的5%。

6.2.2.7树脂、固化剂、催化剂、促进剂应根据制造商的工艺说明书使用，通常应选择冷固化系统，即在16~25℃温度范围内达到良好固化。

6.2.2.8树脂及所有添加物的牌号、规格、性能应符合现行国家标准或有关行业标准。

6.2.2.9性能试验按国家相关标准进行。

6.2.3芯材

6.2.3.1芯材要满足使用要求，并不影响树脂的固化。

6.2.3.2金属材料局部加强件要仔细清洗，去油脂、喷砂或用其他方法得到合适的表面状态以便达到最佳连接。

6.2.3.3硬质泡沫塑料可以作为芯材，使用的泡沫塑料应为闭孔结构。

6.2.3.4轻质木材可做为芯材，在使用前必须进行灭菌和杀虫处理，并进行热处理及烘干处理，平均水份含量应小于等于12%。

6.2.4预浸料

预浸料须满足组件的要求和适当的保存、使用时间，而且树脂含量不低于30%，在工作温度下有适当的粘性。

6.2.5胶粘剂

6.2.5.1胶粘剂只允许使用无溶剂胶粘剂，最好使用双组分反应型胶粘剂。

如果可能，使用与叶片相同的层压树脂。

6.2.5.2胶粘剂不得降解被粘材料，并能保证叶片的结构性能。

6.2.6玻璃纤维增强塑料层板性能要求。

6.2.6.1玻璃纤维增强塑料层板的性能应满足下列要求：

a）树脂含量（重量）：

40%~50%（胶衣、富树脂层除外）；

b）固化程度：

环氧＞90%，聚酯＞85%；

c）密度：

1.7g/cm3~1.9g/cm3。

6.2.6.2单向纤维层压板机械性能应符合下列要求：

a）拉伸强度：

≥500/Nmm2；

b）拉伸模量：

≥29000N/mm2；

c）弯曲强度：

≥600N/mm2；

d）弯曲模量：

≥29000N/mm2。

6.2.6.3±90°玻璃纤维增强塑料层板性能应满足下列要求：

a）拉伸强度：

≥200N/mm2；

b）拉伸模量：

≥16000N/mm2；

c）弯曲强度：

≥200N/mm2；

d）弯曲模量：

≥16000N/mm2。

6.2.6.4试验方法

玻璃纤维增强塑料树脂含量按GB/T2577的规定。

玻璃纤维增强塑料固化度按GB/T2576的规定。

玻璃纤维增强塑料密度按GB/T1463的规定。

单向纤维增强层板弯曲性能及模量按GB/T3356的规定。

玻璃纤维增强塑料弯曲性能按GB/T1449的规定。

玻璃纤维增强塑料拉伸性能按GB/T1447的规定。

6.3金属材料

6.3.1金属材料在满足使用要求的前提下，可选择普通结构钢、锻钢、铸钢、铸铁、铝合金或不锈钢。

6.3.2对金属材料要考虑其对疲劳强度和缺口的敏感性，也要考虑低温性能、防腐性能和加工性能。

6.3.3普通结构钢

普通结构钢的屈服强度范围应在235~255N/mm2之间。

6.3.4铸钢、铸铁

6.3.4.1如选用铸钢可选择一般工程用铸造碳钢或不锈钢。

6.3.4.2如选用铸铁只允许选择质量等级高于&级的球墨铸铁或其他更高级材料。

6.3.4.3铸件不允许有疏松、热裂、缩孔、气孔、裂纹、氧化皮、砂眼等缺陷。

铸件表面应用喷砂、喷丸、化学清理或其他方法清理。

6.3.4.4根据铸造形式，提供的铸件应进行适当热处理。

6.3.5不锈钢

按照耐腐蚀能力和加工性能选择合适的不锈钢，通常选用的奥氏体不锈钢应保持0.2%的弹性应变极限和0.03%的最大含碳量，并且有较好的防止晶间腐蚀能力。

6.3.6所有金属材料性能、化学成份均应符合国家标准或其他有关技术条件。

6.3.7对锻、铸件，应按有关标准进行磁粉探伤、液体渗透探伤、X射线照相探伤或超声波探伤等无损检验。

7工艺要求

7.1总则

7.1.1下列要求仅适用于手糊湿法成型工艺。

7.1.2层压车间应为全封闭空间，并能加热、通风，一般要求环境温度为16~25℃，最大湿度70%，并通过自动记录式温度计和湿度计进行监测记录。

7.1.3通风设备应保证在工作场地内有害气体浓度不超标。

7.1.4工作场地应采用适当方法照明，采取措施防止阳光和灯光温度达到引起树脂固化的程度。

7.1.5进行叶片铺层及胶合工作时，车间内不允许进行产生粉尘的机械加工、油漆或喷涂等作业。

7.1.6所有材料应按制造商说明书存放，如无说明应存放在10~18℃室内，储存间应干燥、通风、避免强光，并应配置自动记录式温度计、湿度计。

7.1.7叶片制造人员、检验人员必须通过专门职业培训。

7.1.8叶片制造必须根据叶片图纸、技术条件、工艺规程进行制造、检验。

7.1.9试生产结束后，应冻结关键工序和重要工艺参数。

7.2图纸

7.2.1使用的图纸、资料必须完整、正确、有效。

7.2.2叶片生产必须遵守图纸规定的技术要求，尺寸公差、外观质量和材料技术要求。

7.2.3必须保证增强材料的铺层方向、层数、位置和铺放规则以及含胶量、固化程度等。

7.2.4必须按图纸要求对金属零件进行热处理和表面防护。

7.3模具

7.3.1模具的材料、结构由制造商决定，但必须保证足够强度、刚度、表面硬度以及尺寸精度，保证叶片的外形尺寸公差及稳定性和重复性。

7.3.2必须考虑加热及加压对模具造成的影响。

7.3.3如果成型时使用真空袋，要确保模具密封良好。

7.3.4模具表面应光滑，不许有尖棱，成型面要去除斑点。

7.3.5模具经检验认定合格，并经试模后方可使用。

在铺层工作开始之前，模具表面涂适量脱模剂，如需要可预热到铺层要求的温度，模具表面须干燥、无尘。

7.4工装

7.4.1叶片制造所需工装、设备、工具等均应满足工艺要求及其他有关规定。

7.4.2所用量具、衡器、仪表需经检定，并在检定周期内。

7.4.3调胶机、喷涂机等必须准确无误，并按有关规定进行标定。

7.4.4直接影响叶片质量的工装，如下料样板、型面样板等，必须保证设计公差要求，并定期校检，切面样板间隔应按设计要求确定。

7.5叶片制造

7.5.1金属零件加工制造按图样及工艺指令进行。

7.5.2按合适的工艺方法把胶衣树脂均匀涂在准备好的模具表面，厚度在0.4~0.6mm之间。

7.5.3涂完胶衣后应按时铺第一层材料，该层含胶量较高且使用的增强材料单位面积较轻，如使用最大为300g/m2玻璃纤维织物时，树脂含量一般为70%。

7.5.4必须按制造商的说明书和有关部门的规定配制和准备胶液。

7.5.5树脂及固化剂必须严格按比例混合，并尽量不混入气体，必要时可进行真空排气，填料及颜料必须按规定加入。

7.5.6铺层应符合有关技术文件及工艺规程的要求，必须严格控制铺层位置、纤维方向，单向纤维束、带保证平直，严格控制各节点位置。

7.5.7层间要压实，含胶量一般控制在40%~50%之间，胶衣及富树脂层除外。

7.5.8胶液的操作时间不超过制造商规定的范围，必要时须经初步试验以确定操作时间及固化时间。

7.5.9一次能铺层的最大厚度，取决于固化时最大允许放热量；如果使用真空袋，其决定因素还应包括最多使多少层材料的空气完全排尽。

7.5.10如果铺层过程被中断，再次铺层时，固化层表面须打毛，去除尖点，并清除干净，以获得合适的粘接表面。

7.5.11铺层过程中应尽量避免剪断加强层，无法避免或对接时应适当增用加强带，加强带及搭接宽度最少251Tim。

7.5.12预埋件、局部加强件、叶根法兰盘、衬套等零件须干燥并清理干净，表面做适当处理。

7.5.13固化

7.5.13.1树脂系统固化应按制造商说明书或预试验得到的工艺参数进行。

7.5.13.2叶片及其部件固化达到脱模强度后，即可从模具中取出。

对于冷固化系统（16~25℃），固化时间至少需要12h。

7.5.13.3部件加温固化后应立即在相关温度下进行时效处理，冷固化系统不须时效处理，但叶片出厂前必须在室温下至少存放!

天，或40℃/16h，或50℃/9h。

7.5.14叶片表面抛光后，对没有表面保护的部位要进行密封，特别是切断面、胶接处，以防外部介质浸入，使用的密封材料应不影响层板胶接处的性能，也不影响叶片的特性。

7.5.15在专用设备上对叶片进行静平衡。

7.6制造监控

7.6.1对叶片的制造监控，应包括原材料质量控制、制造过程监控和成品质量检验。

7.6.2叶片制造工作程序单、检验单和工艺规程等文件必须跟随生产过程，并由负责每一阶段的工作人员签字。

7.6.3叶片及各部件层压时，应对制造过程进行现场检验，特别是纤维方向、用胶量等。

7.6.4用随件试件或从部件上直接切取试样，进行固化程度检验。

7.6.5在加工过程期间，应抽样检查层板的性能参数，如树脂含量、密度、拉伸强度及拉伸模量、弯曲强度及弯曲模量、剪切强度及剪切模量等。

如果不能从部件上切取足够大的层板试件，可随件制造500mm×500mm的平行层板。

7.6.6对部件的加工过程及完成的叶片成品进行目视检验，应特别注意气泡、夹杂起层、变形、变白、变污、损伤、积胶等，对表面涂层也要进行外观目视检验。

7.6.7对叶片及部件内部缺陷可采用X射线或超声波等无损检验方法来检验，检验标准可由设计、工艺、检验部门共同制定或确定一标准样件作为判据。

7.7缺陷修补

7.7.1允许修补叶片外表面气泡和缺损等缺陷，但应保持色调一致，修补后表面上直径小于5mm的气泡在1m2内不允许超过3个。

7.7.2对于内部开胶、胶接处缺胶、分层等缺陷可通过注胶修补。

7.7.3对于叶片表面的凹坑和皱折可用环氧树脂或聚酯腻子填充进行修补，并喷涂表面涂层，打磨抛光。

7.7.4对于运输过程中造成的叶片损伤，可根据损伤的具体情况，由制造商制定修补计划，在使用现场进行修补，并由制造商提供质量保证。

8质量保证

8.1推荐制造商的质量保证体系应通过GB/T19001的认证；最低应通过GB/T19002的认证。

8.2制造商必须保证质量保证体系的有效性。

9试验方法

9.1总则

所有试验的目的是为了验证设计的正确性、可靠性和制造工艺的合理性，并为设计和制造工艺的完善和改进提供可靠的依据。

试验结果作为产品定型的审查文件。

试验仪器、仪表及量具应满足测量精度要求。

9.2试验报告格式

试验报告应包括以下内容：

a）试验目的；

b）试验件或试验模型描述；

c）试验仪器、仪表及量具的精度和灵敏度；

d）试验原理及简明处理方法；

e）试验情况记录（附以相应的照片和简图）；

f）试验数据；

g）试验处理结果（包括各种曲线）；

h）试验结论；

i）试验地点和日期。

试验报告应有完整的会签和盖章证明。

9.3气动性能试验

9.3.1总则

对于新研制的叶片，要求进行风洞模型试验和风场实测，目的是验证风轮在各种工况下的气动性能，对于变距叶片还要试验各个变距角度下的气动性能。

对于购买专利或许可证生产的叶片，一般只要求进行风场实测。

9.3.2风洞试验

9.3.2.1试验条件

a）试验风洞要求能够模拟风场实际工况条件。

b）风洞直径D和风轮模型直径d的关系：

———对于开口风洞：

D≥1.5d；

———对于闭口风洞：

D≥2d。

9.3.2.2相似准则

叶片模型相似准则：

a）几何相似；

b）动力相似。

雷诺数相似不做要求，但要有可靠的试验数据和理论进行雷诺数修正。

9.3.2.3测试内容

测试项目包括：

a）风能利用系数CP与叶尖速度比λ的关系曲线；

b）风轮扭矩系数CQ与叶尖速度比λ的关系曲线。

9.3.3风场实测

9.3.3.1试验条件

试验地点应考虑下列因素：

a）自然物（建筑物、树木等）；

b）地形变化；

c）其他风扰动。

对以上因素要根据设计条件进行修正。

9.3.3.2测试项目

测试项目包括风速和功率曲线，并由此得出：

———风能利用系数CP与叶尖速度比λ的关系曲线；

———风轮扭矩系数CQ与叶尖速度比λ的关系曲线。

9.4定桨距叶片的叶尖气动刹车机构功能试验

9.4.1总则

在定桨距风力发电机组中，有的叶片设计有叶尖气动刹车机构。

在叶片研制过程中，这一机构的功能要进行分析和验证。

9.4.2试验条件

试验件是具有完整尺寸的首件实物叶片。

9.4.3试验内容及方法

在试验台架上，通过人工控制施加作用力，迫使叶片叶尖气动刹车机构打开和复位。

检查整个机构在打开和复位过程中是否顺利，如有干涉现象，则要采取适当措施，分析和解除这种故障直到整个机构满足设计要求，并记录下试验过程中进行的所有调整内容。

在满足设计要求时，整个试验过程应重复三次。

固有特性试验

9.5.1总则

对于新研制的叶片，都要求进行叶片固有特性试验，其目的是测量叶片的固有频率，为叶片动力分析、振动控制提供原始依据，并验证动力分析方法的正确性。

9.5.2试验条件

9.5.2.1试验件要求

试验件应从试制批中抽取。

9.5.2.2试验件支持

试验夹具要保证叶片叶根固定，夹具刚度要大于叶片刚度的10倍以上。

9.5.3试验项目

a）叶片挥舞弯曲振动至少一、二阶固有频率；

b）叶片摆振弯曲振动至少一阶固有频率；

c）叶片扭转振动的一阶固有频率（必要时）。

9.5.4试验测量方法

根据试验任务书的要求和试验设备等具体条件，可以采用：

———时域法；

———频域法。

对叶片固有特性进行测量。

注：

时域法对二阶固有特性测量不适用。

在用频域法测量时，压电式加速度传感器的安装固定要特别注意，以免影响其额定频响曲线。

9.6静力试验

9.6.1总则

对于新研制的叶片，要求做叶片静力试验；对于批生产叶